Luận án tiến sĩ địa lý: Nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ven các đảo Trường Sa bằng phương pháp đo sâu viễn thám và GIS

Đề tài nhằm nghiên cứu phương pháp ước tính độ sâu từ ảnh viễn thám quang học; nghiên cứu phương pháp xác định các tham số HTĐH, biến động địa hình từ tư liệu ảnh viễn thám quang học đa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phan Quốc Yên

NÔNG VEN CÁC ĐẢO TRƯỜNG SA BẰNG PHƯƠNG

PHÁP ĐO SÂU VIÊN THÁM VÀ GIS

LUẬN ÁN TIEN SY DIA LÝ

Hà Nội - 2021

Phan Quốc Yên

NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI ĐỊA HÌNH VÙNG NƯỚC NÔNG VEN CÁC ĐÁO TRƯỜNG SA BẰNG PHƯƠNG

PHÁP ĐO SÂU VIÊN THÁM VÀ GIS

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý

Mã số: 9 44 02 11.01

LUẬN ÁN TIEN SY DIA LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC:

1 PGS TS Nguyễn Hiệu

2 TS Dao Khánh Hoài

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại

học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Học viện Kỹ thuật

Quân sự, Ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật Công trình Đặc biệt và các thầy cô Bộmôn Trắc địa Bản đồ/Viện Kỹ thuật Công trình Đặc biệt - nơi tác giả đang

công tác đã tạo điều kiện giúp đỡ, chia sẻ công việc dé tác giả có thé hoànthành luận án này.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hiệu và

TS Đào Khánh Hoài đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và

động viên, tạo điều kiện giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các Nhà khoa học thuộc các cơ quan: Viện

Địa lý, Viện Địa chất và Địa vật lý biển, Viện Công nghệ Vũ trụ - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Trường Đại

học Xây Dựng; Cục Do đạc, ban đồ và thông tin địa lý Việt Nam; Cục Ban đồquân đội; Quân chủng Hải Quân, v.v đã đóng góp ý kiến từ nhiều khía cạnh để

Luận án trở nên hoàn thiện hơn.

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Gia đình và toàn thể bạn

bè thân thiết đã luôn ở chia sẻ và động viên tinh than trong suốt nhiều năm tac

giả thực hiện luận án.

Tác giả

Phan Quốc Yên

il

0909.0829.900 ÔỒố.ốỖ iLOL CAM 09 -::‹:‹ạ iiMỤC LUC ooo occ ceesscessesssesssesosessvcssvcssecssessvcssesssecsuessesssecsnessesssecssesssessesssecssecsssssesssesaseesees ii

DANH MỤC CAC CHU VIET TẮTT - 2 5¿++2EE+EEE£EE+SEEtEEEEEEESEErrkrrrrrrkree VDANH MUC HINH 005 viDANH MUC BANG wo ecescsssssssssessessssssessscsscssssssesscsessussssssscsecsusaussssesecsucsusssessessuseuseseess viii

"0527.102055 1

1 Tính cấp thiết của đề tai ecccccccccccessessesssesssesssesssessecssscsssssesssecssecsssssecssecsseeseeens 1

2 Mục tiêu nghiÊn CỨU - - G1 0119119011901 1H ng HH kg 2

3 Nội dung nghiên CỨU - - 13v 9 9 TH TH HH HH Tnhh nh nh 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - ¿+ ¿++++++2E++Ex++zx++zxerxeerkesree 3

5 Những điểm mới của luận án - 2-2 +©E£+E£+EE+EE+EEtEEEEEESEEtEErrEerrxerkrred 3

6 Các luận điểm bảo VG :-2¿-©5¿2+2EE9EEESEE2EEE21127112712112711271.211 21 E1 cre 3

7.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận án - - ¿2 +52 £+E+E+££EzEexrxzxerscee 4

8 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 2-2 22+ E+EE+£EE£+EEtZEEeEEEerxrrrkrrrrres 4

9, Cấu trúc luận áin ¿+ +E2+EE+EE£EE£EEEEEEEEEE71121121127171121121111 1121111 cre 5

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VAN DE VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan van đề nghiên cứu o.scccccecscsssesssesssesssessecssecssecsessscssecssecsecssecsseeseeess 6

1.1.1 Những van dé chung về địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo xa bờ 6

1.1.2 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu địa hình đáy biên vùng nước

nông ven các dao san hô xa bờ bằng do sâu viễn thám và GIS 13

1.1.3 Tổng quan nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ở Việt Nam 29

1.2 Khái quát chung đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu . - 37

1.2.1 Khái quát về quan đảo Trường Sa ¿- 2:22 5++cx+2zxvzxeerxrsrxrsred 371.2.2 Khái quát đặc điểm tự nhiên đảo An Bang — quần dao Trường Sa 431.3 Quan điểm, phương pháp và quy trình nghiên cứu - 5-52: 46

il

1.3.1 Quan điểm nghiên Cứu - 2-2 £©5£+EE+EE#EEEEE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEErErrrkrrkrred 46

1.3.2 Phương pháp nghiÊn CỨU - 5 25 + 111191 vn ng riệt 47 1.3.3 Quy trình nghiÊn CỨU G11 TH HH HH HH ệp 51

0098.931009:1019)1c0017 52

CHUONG 2 PHƯƠNG PHAP ĐO SÂU VIÊN THÁM ĐA PHO TRONG LẬP

BẢN DO ĐỘ SAU VEN ĐẢO THU NGHIEM THUỘC QUAN ĐẢO TRƯỜNG

1 54

2.1 Co sở khoa học ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu độ sâu day bién 54

2.1.1 Phan xa phô trên ảnh vệ tinh trong môi trường nước biền 542.1.2 Nguyên lý xác định độ sâu từ ảnh viễn thám da phô 2-2 - 562.1.3 Các phương pháp ước tính độ sâu đáy biển từ ảnh viễn thám da phô 582.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phương pháp đo sâu viễn thám quang

HOC da PhO 67

2.2.1 Một số đặc tính hình học của ảnh vệ tinh độ phân giải cao 672.2.2 Ảnh hưởng thủy triều đến xác định độ sâu từ tư liệu viễn thám da phổ 722.3 Quy trình thực nghiệm xác định độ sâu từ tư liệu viễn thám đa phô ¬— 73

2.4 Thực nghiệm phương pháp xác định độ sâu khu vực nước nông ven đảo An

Bang - Quan đảo Trường Sa - 2-22 55222S2EE 2E 22E22122112711221 211221221 80

2.4.1 Dữ liệu thực nghiệm 2 ¿©5£+SE+EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEE22122171 21.211 re 80

2.4.2 Thực nghiệm xác định độ sâu từ ảnh Worldview2 ccccccccecrsees 83 2.4.3 Thực nghiệm xác định độ sâu từ anh Sentinel2A - -«<+<c+<<++ 99

TIEU KET CHƯNG 2 2- 2£ £+SE+EE+EE£2EEEEE£EEEEEEEEE2E1E7171171122171 71.212 Ex xe 108

CHƯƠNG 3 DANH GIÁ BIEN DOI DIA HÌNH DAY BIEN VUNG NƯỚC

NONG VEN ĐẢO THU NGHIEM QUAN DAO TRƯỜNG SA - 111

3.1 Đặc điểm HTĐH khu vực nước nông ven đảo An Bang 111

3.2 Bién động dia hình khu vực nước nông ven đảo An Bang 115

3.2.1 Dữ liệu xác định biến động địa hình ác s3 sseirreirrsrrsrres 1153.2.2 Xác định khu vực địa hình đáy biển bị bién động .: - 117

11

3.3 Quá trình biến đổi địa hình đáy biên khu vực nước nông ven đảo 126

3.3.1 Động lực vận chuyên bồi tích 2¿ 2 2 £+£E2E£+EE£EEeEEezEezrxrrxerxee 126

3.3.2 Quá trình xói lở - vận chuyên - tích tụ vật liệu -. -++-<<< 127

TIEU KET CHƯNG 3 2 E©E+SE£2EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEE2121121171 71.21 EEcxeU 132KET LUẬN VÀ KIÊN NGHHỊ 2-2 5£ £+EE£EE£EECEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrkerkee 134DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIEN QUAN ĐỀN LUẬN ÁN 137TÀI LIEU THAM KHẢO - 2-52 SS SE 2E2EE£EEEEEEEE2EEE712171122171 71221221 xe 138

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIET TAT

Chữ viết tắt Ý nghĩa

DB Đông BắcDBM Digital Bathymetry Model - Mô hình số độ sâuDEM Digital Elevation Model - Mô hình số độ cao

DN Digital Number - Giá trị số của điểm ảnh

DoD DEM of Difference - DEM sai khác

DKTN _ | Điều kiện tự nhiên

DOP Depth of Penatration - Độ sâu xuyên thấu

GD Giai đoạn GIS Geographic Information System - Hệ thông tin địa lý

GWR Geographically Weighted Regression - Hồi quy trọng số địa lý

HTPH Hình thái địa hình

NIR Near-Infrared - Cận hồng ngoạiOLS Ordinary Least Square - Bình phương tối thiểu thông thườngPP-KTT | Phương pháp kênh tuyến tính

PP-PVĐSXT | Phương pháp phân vùng độ sâu xuyên thấu

PP-TSTT Phương pháp tỷ số tuyến tính

QDTS Quan dao Truong Sa

R? R-squared - Hệ số R bình phươngRMSE Root-Mean-Squared Error - Sai số trung bình bình phương gốcRSS Residual Sum of Squares - Tổng bình phương phần dư

S2A Ảnh Sentinel2A

TN Tây Nam

VLTT Vật liệu trầm tích

WV2 Ảnh Worldview2

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vùng nước nông ven đảo xạ ĐỜI e5 HH ng ng 10

Hình 1.2 Thay đổi bãi biển theo MAA &ÏÓ - 5-55-5252 SE EEcEEcSECEEEEEEEEEerrrrkerkerrees 13

Hình 1.3 Công nghệ do sâu viễn thaiicceccccscsssessessessesssessessessesssessessessesssessessessesssessesses 14

Hình 1.4 Các dạng mô hình hồi quy trong xác định độ sâu từ ảnh vệ tỉnh 23

Hình 1.5 Mô phỏng địa hình vùng biển Trường Sa trên mô hình 3D .- 37

Hình 1.6 Dòng chảy trung bình theo mua: A (mua đông), B (mùa hè) - 43

Hình 1.7 Hình ảnh đảo An Bang — QTÍS cv hit giết 44

Hình 1.8 Hướng dòng chảy biển trung bình khu vực ven đảo An Bang - 45

Hình 1.9 Giao diện phan mém GCD xác định biến động địa hình - 49

Hình 1.10 Khảo sát thực địa thu thập số liỆM 2: + ++Se+££+E+Ee+Eerterkerkerrrsses 49Hình 1.11 Hệ thong khảo sát độ sâu bằng máy do sâu hồi âm don tia Hydropack 50

Hình 1.12 Hình ảnh khảo sát thu thập một số tham số tại đảo An Bang năm 2019 50

Hình 1.13 Quy trình nghiên cứu HTĐH đáy biển - -c- 5e 52St+EceEeEererrreres 52Hình 2.1 Khả năng tán xa, hấp thụ và đâm xuyên ánh sáng của nước - 55Hình 2.2 Khả năng xuyên thấu trong nước của các kênh ảnh S2A và WV2 56Hình 2.3 Truyền bức xạ qua một khối nước đến cảm ĐiỂn +55 Ssc+cceczes 57Hình 2.4 Phân vùng độ sâu xuyên thẩu - ¿5+ 5+ ©E+SE+EE+EEE+ESEEerEerkerrrssree 64Hình 2.5 Nguyên tắc quét ảnh dạng chổi - + +5 ©k+Sk‡Ek‡E+EEEEEEEEEEEerkerkerkersres 67

Hình 2.6 Phương pháp Hedley - + tt tk SEEStESEEkrEEkexrersrersrrrreerrerrre 71

Hình 2.7 Quy trình xác định độ sâu từ tư liệu viễn NGM veccccccecscssescsesvsvscsesesesesescsveveees 74

Hình 2.8 Giao điện chương trình Bathymetry RS VN wiiececccsccesseesseeeeseteceesseesseeeenseeaes 75

Hình 2.9 Sơ đồ phân rã chức năng phan MEM viccccecccscsscssessessessessessessessssessessecsecsessesseass 75Hình 2.10 So do kiến trúc hoạt động của hệ thống phân MEMesesceccessesssesvessesseerserevsee Z6

Hình 2.11 Sơ đồ các điểm độ sâu xây dựng mô hình và điểm kiểm fra 82

Hình 2.12 Phan du mô PP-KTT (5 kênh B1 đến B5) ảnh WV2 theo OLS và GWR 88

Hình 2.13 Sơ đô độ sâu ước tính bằng PP-KTT - -©s+keceEkeEkEEkEErkerkerkerkered 89

VI

Hình 2.14 Sai số giữa điểm kiểm tra và độ sâu tính được PP-KTT từ ảnh WV2 90

Hình 2.15 Phan dw PP-TSTT cho trường hop B2/B3 (sau hiệu chỉnh lóa) trên anh WV2 theo phương pháp OLS so với GWR x3 2 1 nh ru 93 Hình 2.16 Sơ do độ sâu ước tính bằng PP-T.STT -©ce©cc+ccccerterrcsrserserrees 93 Hình 2.17 Sai số độ sâu kiểm tra và độ sâu tính được từ ảnh WV2 theo PP-TSTT 94

Hình 2.18 Sơ đô độ sâu ước tính bằng PP-PVĐSXT từ ảnh WV2 97

Hình 2.19 Sai số giữa điểm kiểm tra và độ sâu theo PP-PVĐSXT trên ảnh WV2 98

Hình 2.20 So sánh trị tuyệt đối sai số của 3 phương pháp trên ảnh WV2 96

Hình 2.21 Phan du PP-KTT cho trường hop 3 kênh B2, B3, B4 ảnh S2A theo phương DhGp OLS Va GWR 0222 e< (caâăẳăši14 101 Hình 2.22 Sơ do độ sâu bằng PP-KTT từ ảnh S2A ececcescesssssvessessssssessessessesssessessessses 102 Hình 2.23 Sai số giữa điểm kiểm tra và độ sâu tính được từ ảnh S2A theo PP-KTT 103 Hình 2.24 Phan du PP-TSTT cho trường hợp B2/B3 ảnh S2A theo OLS và GWR 104

Hình 2.25 Sơ đô độ sâu bằng PP-TSTT từ ảnh S2A cc©cc+cccccccccrrcrrcee 105 Hình 2.26 Sai số giữa điểm kiểm tra và độ sâu tính được từ ảnh S2A theo PP-TSTT 105 Hình 2.27 Sơ đô độ sâu bằng PP-PVĐSXT từ ảnh Š2A -©cc©cz©cs+c: 106 Hình 2.28 Sai số giữa điểm kiểm tra và độ sâu tính bằng PP-PVĐSXT ảnh S2A 107

Hình 2.29 So sánh trị tuyệt đối sai số của 3 phương pháp trên ảnh S2A - 108

Hình 3.1 Mô hình 3D khu vực đảo An Bang ecccescceccesscesseeseesseeceteeteceeseeeseeesecseenaeeeaees Ill Hình 3.2 Sơ đồ hướng địa Windeeccecceccesccescessessesssessessesssssssessessssssessessessssssessessesssesseess 113 Hình 3.3 Sơ đồ chia cat địa hình (A) và độ dốc địa hình (B) ven đảo An Bang 114

Hình 3.4 Quy trình xác định xói lở, bồi tụ địa hình đáy biển -©-2©cecc5¿ 115 Hình 3.5 Sơ đồ xói lở - bồi tụ khu vực nước nông ven đảo An Bang -. 123

Hình 3.6 Sơ đồ phân bó bãi cát ven đảo An Bang giữa các mùa trong năm 125

Hình 3.7 Sơ do động lực vận chuyển tram tích khu vực nước nông ven đảo An Bang

vil

DANH MỤC BANG

Bang 1.1 Thuộc tinh địa hình thường được sử dụng trong nghiên cứu biển 7

Bang 1.2 Các phương pháp do sâu viễn thám và ưu điểm, hạn chế của chúng 14

Bang 1.3 Các đới của kiểu rạn viễn bờ ở quần đảo Trường Sa -:-:-: 38

Bang 1.4 Tân suất xuất hiện các hướng gió tại Trường Sa 2005-2010 (%) 40

Bang 1.5 Tân suất các hướng sóng tại Trường Sa 1977-2005 (%) -. - 42

Bang 1.6 Giá trị trung bình một số thông số môi trường nước OPTS (4-5/2008) 43

Bang 2.1 Bảng phân vùng độ sâu đựa vào khu Vực HưỚC SAU - «+55 5+ 64 Bang 2.2 Các kênh phổ của hai dữ liệu WV2 và S2A -2-cc©cz+c+cccsscceei 81 Bang 2.3 Kịch bản thực nghiệm xác định độ sâu từ ảnh viễn thám a phổ 83

Bang 2.4 Bang tong hợp tham số dau vào hiệu chỉnh loé ảnh WV2 -. - 54

Bang 2.5 Tham số độ chính xác của PP-KTT trên ảnh WWV2 5c scs+c+e2 66 Bảng 2.6 Độ chính xác theo phạm vi độ sâu của PP-KTT trên ảnh WV?2 90

Bang 2.7 Tham số độ chính xác PP-TSTT trên ảnh WV2 ©z©cs+cs+csscszei 91 Bang 2.8 Đánh giá độ chính xác theo phạm vi độ sâu PP-TSTT trên ảnh WV2 94

Bang 2.9 Thong kê vùng nước sâu ven đảo An Bang cho các kênh ảnh WV2 95

Bang 2.10 Bảng phân vùng độ sâu xuyên thấu trên ảnh WWV2 - 2-25: 95 Bảng 2.11 Các tham số của PP-PVDSXT trên ảnh WWW2 - 2-22 5+ ©sS++ce+c+ezes 96 Bang 2.12 Đánh giá độ chính xác theo phạm vi độ sâu PP-PVDSXT từ ảnh WV2 97

Bang 2.13 Bảng đánh giá sai số DBM cua 3 phương pháp trên ảnh WV2 99

Bang 2.14 Tham số độ chính xác của PP-KTT và PP-TSTT ảnh S2A 100

Bảng 2.15 Phân vung độ chính xác theo độ sâu PP-KTT trên ảnh S2A 102

Bảng 2.16 Đánh gia độ chính xác theo phạm vi độ sâu PP-TSTT anh S2A 104

Bảng 2.17 Đánh giá độ chính xác theo phạm vi độ sâu PP-PVDSXT ảnh S2A 106

Bảng 2.18 Đánh giá sai số DBM của 3 phương pháp từ ảnh S2A -+- 108

Bang 3.1 Bang dữ liệu ảnh viễn thám xác định biến động địa hình đáy biển 116

Bảng 3.2 Hướng dòng chảy tong hợp khu vực nước nông đảo An Bang 127

Vili

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có đường bờ biển dai 3.260 km không ké các đảo Vùng biểnthuộc chủ quyền, quyền chủ quyền và quyền tài phán của nước ta chiếm diện tíchkhoảng 1.000.000 km? Biển Đông, trong đó có hai quần đảo xa bờ là quần đảoHoàng Sa va Trường Sa cùng hàng trăm đảo nhỏ nằm 6 xa đất liền với vùng biển

rộng lớn bao quanh các dao này Giữ vững chủ quyền vùng biển hải đảo thuộc hai

quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa có ý nghĩa hết sức to lớn và quan trọng trênphương điện an ninh - quốc phòng, kinh tế xã hội Không chỉ là cầu nối vươn rabiển ca, là điểm tựa khai thác các nguồn lợi biển, hai quần đảo này còn là những

điểm tiền tiêu bảo vệ Tổ quốc, góp phần kiểm soát các hoạt động tàu thuyền đi lại

trên Biển Đông; và là khu vực có tiềm năng khoáng sản có giá trị kinh tế cao như

dầu khí, băng cháy va các quặng sa khoáng (titan, zircon, thiếc, vàng, sắt, v.v.)

Khu vực nước nông (0 đến -20m) ven các đảo thuộc Quần đảo Trường sa(QDTS) có vai trò, ý nghĩa hết sức lớn; là nơi diễn ra các hoạt động quan trọng, như

dẫn đường tàu cập cảng, khu vực neo đậu đợi cơ trú tránh bão, khu vực bãi đỗ thủy

phi cơ, hoạt động quân sự phòng thủ bảo vệ đảo, hoạt động cứu hộ cứu nạn, hoạt

động dân sinh về nuôi trồng hải sản, v.v Đây cũng là khu vực có địa hình đáy biển

va các yếu tố hải văn thay đôi liên tục và phúc tạp Việc xác định va cập nhật cácthông tin thường xuyên, liên tục về các điều kiện tự nhiên này đóng vai trò quantrọng nhằm đảm bảo an toàn cho các hoạt động diễn ra tại đây Tuy nhiên, việc thuthập và đánh giá hình thái địa hình (HTDH) khu vực này thường gặp nhiều khó

khăn đo điều kiện đặc thù của đảo xa bờ Đặc biệt, khu vực nước nông gần bờ ven

các đảo thường khó tiếp cận dé khảo sát bang các tàu chuyên dụng hoặc bay chụp

do một số yếu tố, như: không đảm bảo an toàn trong dẫn đường hàng hải, khôngtiếp cận được do quân đội nước ngoài đồn trú, v.v

Gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật thu nhận và xử lý ảnh vệtinh ngày càng hoàn thiện đã mở ra nhiều triển vọng trong các nghiên cứu, thu thậpthông tin từ xa đối với những khu vực khó hoặc không tiếp cận được Thu thập dữ

liệu độ sâu từ ảnh vệ tinh sẽ giúp giảm bớt quá trình do đạc trực tiếp ngoài thực địa,cập nhật nhanh sự thay đổi địa hình, tăng khả năng giám sát từ xa đối với QDTS, hỗ

trợ kịp thời công tác đảm bảo địa hình cho các hoạt động an ninh quốc phòng

Ngoài ra, với sự cải thiện khả năng tính toán của máy tính, khả năng phân tích và

mô hình hóa địa hình bằng các kỹ thuật GIS Kỹ thuật phân tích địa hình xác định

các thuộc tính định tính và định lượng nền địa hình, xác định biến động địa hình từ

dữ liệu mô hình số độ sâu (DBM) đa thời gian dam bảo độ chính xác tương đối cao

Áp dụng các kỹ thuật đó dé xác định, tính toán sự biến đổi của địa hình đáy biển

(xói 16-b6i tu) làm co sở cho phân tích va làm sáng tỏ các động lực va quá trình làm

thay đổi HTĐH một cách chính xác và khách quan hơn, đem lại hiệu quả cao trong

giám sát, đánh giá HTĐH khu vực đảo xa bờ.

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu HTĐH vùngnước nông ven các đảo Trường Sa bằng phương pháp đo sâu viễn thám và GIS” làcần thiết và cấp bách Đề tài nhằm nghiên cứu phương pháp ước tính độ sâu từ ảnh

viễn thám quang học; nghiên cứu phương pháp xác định các tham số HTĐH, biến

động địa hình từ tư liệu ảnh viễn thám quang học đa thời gian, từ đó phân tích và

đánh giá HTĐH khu vực nước nông ven đảo thực nghiệm Làm cơ sở, căn cứ đề từng

bước áp dụng phương pháp nghiên cứu cho toàn vùng nước nông khu vực QDTS.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, đánh giá địa hình/hình thái địa hình vùng nước nông ven các

dao Trường Sa bằng phương pháp xác định độ sâu đáy biển từ ảnh viễn thám quang

học và các kỹ thuật GIS.

3 Nội dung nghiên cứu

1) Tổng quan các nghiên cứu địa hình đáy biển vùng nước nông ven các đảo

xa bờ bằng phương pháp đo sâu viễn thám;

2) Nghiên cứu, thực nghiệm quy trình và lựa chọn phương pháp xác định độ

sâu khu vực nước nông ven đảo thuộc QDTS từ tư liệu ảnh viễn thám quang học;

3) Nghiên cứu điều kiện tự nhiên (ĐKTN), đặc điểm địa hình đáy biển khu

vực nước nông ven các đảo thuộc QDTS;

4) Đánh giá biến động HTĐH đáy biến khu vực nước nông ven đảo thử

nghiệm thuộc QDTS.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là địa hình/hình thái địa hình đáy biển khu

vực nước nông ven đảo thử nghiệm (dao An Bang) tại QDTS.

4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi không gian, thời gian: Trên cơ sở đánh giá điều kiện tự nhiên

chung cho toàn bộ khu vực QDTS, lựa chọn vùng nước nông ven đảo nồi đặc trưng

(đảo An Bang) dé tiến hành thử nghiệm phương pháp xác định độ sâu và đánh giáHTDH từ tư liệu ảnh viễn thám và GIS Sự thay đôi HTĐH được đánh giá trên cơ

sở các tư liệu ảnh viễn thám có trong giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2019

- Phạm vi khoa học: Thử nghiệm quy trình, phương pháp xác định độ sâu

đáy biển từ ảnh viễn thám quang học Ứng dụng kết quả độ sâu xác định được từ

phương pháp do sâu viễn thám và kỹ thuật GIS vào đánh giá HTDH đáy biên (xácđịnh các tham số mặt cắt, độ sâu, độ dốc, hướng địa hình và mạng lưới rạch triều),xác định biến biến động địa hình (phạm vi, khối lượng bồi x6i) khu vực nước nông

ven đảo thử nghiệm thuộc QDTS.

5 Những điểm mới của luận án

- Luận án đã thực nghiệm và lựa chọn được kênh Blue, Green trong ảnh viễn

thám quang học, đề xuất được quy trình và lựa chọn được phương pháp (phươngpháp kênh tuyến tính kết hợp với hồi quy trọng số địa lý) xác định độ sâu đáy biểnkhu vực nước nông (đến độ sâu 20m nước) ven đảo xa bờ từ tư liệu viễn thám

quang học, thử nghiệm cho dao An Bang thuộc QDTS.

- Áp dụng phương pháp định lượng bằng các kỹ thuật GIS trong xác định đặcđiểm hình thái địa hình và quy luật sự biến động địa hình đáy biển vùng nước nôngven đảo An Bang thuộc QDTS Kết quả cho thay đảo địa hình vùng nước nông venđảo An Ban có sự thay đổi theo mùa rõ rệt (mùa đông và mùa hè)

6 Các luận điểm bảo vệ

1) Phương pháp hồi quy tuyến tính với đầu vào là hai kênh Green và Bluecủa ảnh viễn thám quang học cho kết quả tốt và 6n định trong xác định độ sâu vùng

nước nông ven đảo Trường Sa, độ sâu xác định được tối đa với 20m nước Trong

đó, phương pháp hiệu chỉnh loại bỏ lóa mặt trời, loại bỏ tính đồng nhất của nướcbằng phương pháp hồi quy trọng số địa lý đóng vai trò quan trọng trong việc nângcao độ chính xác của phương pháp đo sâu viễn thám và có thể đáp ứng tốt trongđiều kiện khó tiếp cận như QDTS

2) Ap dụng phương pháp định lượng hóa các tham số biến đổi hình thai địahình bằng GIS kết hợp với các yếu tố điều kiện tự nhiên để xác định sự thay đổi địahình đáy biển khu vực nước nông đảo An Bang thuộc QDTS một cách khách quan

và chính xác.

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận án

7.1 Ý nghĩa khoa học

- Nội dung nghiên cứu của luận án giúp hệ thống đầy đủ cơ sở khoa học về

sử dụng công nghệ viễn thám quang học dé xác định độ sâu đáy biên khu vực nướcnông ven dao xa bờ Có thể nhân rộng phương pháp này dé nghiên cứu cho các khuvực biên nông ven các đảo xa bờ khác

- Giúp đo đạc được các tham số HTĐH, sự biến động của địa hình đáy biển ở

khu vực nước nông từ DBM đa thời gian (được xác định từ tư liệu ảnh viễn thám đa

thời gian) một cách nhanh chóng, chính xác, đồng bộ và khách quan

7.2 Ý nghĩa thực tiễn

Xây dung được quy trình công nghệ đo vẽ, cập nhật nhanh chong sự thay đổiđịa hình đáy biển khu vực nước nông ven các đảo có điều kiện mà không hoặc khótiếp cận thuộc QDTS nhằm đáp ứng các nhiệm vụ cấp bách và lâu dai Phương pháp

có chi phí thấp, dé thực hiện và đem lại hiệu quả kinh tế cao Ngoài ra, kết quả xác

sự thay đổi HTĐH đáy biển còn làm cơ sở cho việc đánh giá các yếu tố điều kiện tự

nhiên khác như sóng, gid, V.V.

8 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

8.1 Tài liệu tham khảo có nội dung liên quan đến luận án

- Tài liệu là các công trình khoa học, dé tài và nhiệm vụ khoa học công nghệ

đã được công bô, thực hiện ở trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu.

- Tư liệu sử dụng cho nghiên cứu: ảnh viễn thám đa phổ (Sentinel2A,

Worldview2, Dove); số liệu độ sâu và các số liệu về hải dương học được thu thập và

tham khảo ở các đề tài và nhiệm vụ tại đơn vị đã được thực hiện tại khu vực nghiêncứu (Đề tài cấp nhà nước - chương trình khoa học công nghệ vũ trụ 2016-2019;nhiệm vụ khảo sát thiết âu tàu, bãi đỗ khu vực ven đảo thuộc QDTS, v.v.) Ngoài ra,

số liệu độ sâu kiểm tra có thể tham khảo từ hải đồ của Quân chủng Hải quân

8.2 Các công trình khoa học tham gia thực hiện có liên quan đến luận án

Ngoài các tài liệu đã công bố trong và ngoài nước có nội dung liên quan đếnluận án, bản thân nghiên cứu sinh đã thu thập được các tài liệu thực té thông qua các

đề tài, đề án mà nghiên cứu sinh chủ trì và trực tiếp tham gia thực hiện như:

- Đề tài cấp cơ sở: "Nghiên cứu ứng dụng GIS và viễn thám vào hỗ trợ xácđịnh độ sâu vùng nước nông ven bờ các đảo khó tiếp cận thuộc khu vực quân daoTruong Sa", Phan Quéc Yên (chu tri), thực hiện năm 2017-2018

- Nhiệm vụ bảo vệ môi trường cấp Bộ Quốc phòng: "Điều tra, khảo sát, xâydung cơ sở dữ liệu môi trường biển ven các đảo không tiếp cận được thuộc OPTStrên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám va GIS", Phan Quốc Yên (chủ trì), thực

hiện năm 2020-2021.

9 Cấu trúc luận án

Luận án gồm 03 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, danh mục cáccông trình công bố của tác giả, tài liệu tham khảo, phụ lục Các chương như sau:

Chương 1 Tổng quan vấn đề và khu vực nghiên cứu

Chương 2 Phương pháp đo sâu viễn thám đa phổ trong lập bản đồ độ sâu

ven đảo thử nghiệm thuộc quần đảo Trường Sa

Chương 3 Đánh giá biến đổi địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo thử

CHUONG 1 TONG QUAN VAN DE VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

1.1.1 Những van đề chung về địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo xa bờ

1.1.1.1 Khái niệm địa hình và biến động hình thái địa hình đáy biển

a) Khái niệm địa hình

Dia hình là một khái niệm được sử dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống

dé mô tả diện mạo bề mặt lớp vỏ cứng của Trái Dat Nó là tập hợp của vô vànnhững thé gồ ghé, lỗi lõm hoặc tương đối bằng phẳng, phân cách với nhau bởinhững đường ranh giới ít nhiều rõ ràng, tức là tập hợp của các dạng địa hình (ví dụ

quả đồi, con sông, gò đất, quả núi, đụn cát, bãi bồi, doi cát, v.v) [2]

Hình thái học thé hiện về hình dang của đối tượng Đặc điểm hình thái củađịa hình là miêu tả về điện mạo và hình dạng của địa hình Theo David Coblentz[47], hình thái địa hình (HTĐH) là khoa học về phân tích định lượng mặt đất “xử lýhình học cảnh quan” và định lượng tính chất của mặt đất, là một phần kiến thức của

địa mạo Đào Đình Bắc cũng công nhận rằng, diện mạo bên ngoài, hay là HTDH có

ý nghĩa hết sức quan trọng đối với sự phân bố lại vật chất và các dạng năng lượng

tự nhiên trên bề mặt Trái Dat Trong địa mạo học, người ta quan tâm đến hai loạithông tin về HTĐH [2]:

Hình thái mô tả, mà trong thực tiễn người ta thường gọi vắn tắt là hình thái,

bao gồm các yếu tố diện mạo bề ngoài của địa hình như: hình dạng (tròn, méo,

v.v.), độ cao khái quát (cao, thấp, trung bình, sâu nông), độ dốc khái quát (dốc,

thoải, vừa), hình dạng bề mặt đỉnh và sườn (bằng phẳng, nghiêng, dốc, g6 ghé,lượn sóng, v.v.), cách sắp xếp (rời rạc, thành nhóm, thành dải, dãy và có tính địnhhướng, v.v.) và hình khối (rộng, hẹp, dạng khối, dạng vòm, dạng chóp)

Trắc lượng hình thái bao gồm những thông tin định lượng về độ cao tươngđối, độ cao tuyệt đối, độ chia cắt ngang, độ dài, độ dốc sườn, và bề mặt, độ uốn

khúc các dòng sông, v.v Mỗi tham số miêu tả HTĐH có ý nghĩa khác nhau, chănghạn như: độ cao có ý nghĩa về khí hậu, thảm thực vật; độ đốc kiểm soát tốc độ dòngchảy trên mặt đất và dưới mặt đất và tốc độ dòng chảy, v.v [92, 100]

Tương tự như trên cạn, đại dương đóng một vai trò cơ bản trong hệ thống

Trái Đất ở nhiều mức độ khác nhau Kiến thức về địa hình đáy biển cũng rất quantrọng đối với nhiều đối tượng Ví dụ, địa hình đáy biển ảnh hưởng đến dòng chảy bềmặt, dòng chảy gần đáy và tỷ lệ pha trộn của đại dương Thiếu thông tin về địa hình

có thé ảnh hưởng đến hiệu quả của dự đoán mô hình, vi dụ như mô hình phân bốcác loài sinh vật biên, khí hậu, hoặc đường di của các vật thể nổi trên biển Các tính

chất mô tả địa hình đáy biển cũng tương tự như các tính chất địa hình trên đất liền,

chúng được chia làm hai loại nhóm thuộc tính địa hình như sau:

Nhóm thuộc tính chung của hình thái địa hình trong nghiên cứu biên thườngđược nhóm thành bốn loại chính mô tả các thuộc tính khác nhau của địa hình (độ

dốc, hướng, độ cong/ vị trí tương đối và biến đổi địa hình) liên quan đến điều kiện

sinh thái và đặc điểm địa mạo (Bảng 1.2) [92]

Bang 1.1 Thuộc tính địa hình thường được sử dụng trong nghiên cứu biển [92]

Độ dốc Hướng Độ cong Biến địa hình

- Tính ồn định của > ok OA 4

Âm tên | Độ phơi vượt trội Chỉ số phơi|- Chỉ sô cầu trúc

tram tích (kha | ~ | ` i _ + 2 | môi trường sống:

Liên | năng sống và hoặc dong | nhiễm/ nơi trú ân, | TM° š song;

quan | trong/trên trằm chảy địa phương ví dụ, trên một | - Nơi trụ ân từ

đến | tích); từ một hướng cụ | đỉnh hoặc trong | phơi nhiêm/ động

sinh Gis t bộ thé (cung cap thực | một khoảng trông | vật ăn thịt;

- Gia tốc cục bộ Ậ À: Tế A ,

thái | của don (cung phâm, ; bôi lăng, (cung cập thực - Đa dang cau trúc

F 8 ung | phân tán ấu trùng, | phẩm, trầm tích, lên kết với đa

cap thực phâm, v.v.) v.V.) `

tiệp xúc, v.V.) dang sinh học.

- Tinh ồn định của - Dòng chảy,

Liên trâm tích; Liên quan đến dòng tram tích/ | Sự biến đổi địa

- Gia tốc cục bộ|+ + Tà SS" | dong chảy, quá | hình và cấu trúc

quan |”, đề "chảy hướng của các | trình hải văn: hiện tại phản ánh

: của dòng chả an ; ; ên tạ

ae (xói mòn, di au, ton a mạo | Hữu ích trong | các quá trình địa

° chuyển VLTT, , việc phân loại địa | mạo thông tri.

các dạng nên) hình.

Đo vẽ HTĐH là thực hiện các bước xác định các tham số hình thái địa hình(trắc lượng hình thái chung và trắc lượng hình thái cụ thé) liên quan đến kích thướcchiều thăng đứng và chiều ngang của bề mặt Trái Dat Biến động địa hình là sự thay

đổi kích thước chiều ngang và chiều thắng đứng của bề mặt địa hình, dẫn tới làm

thay đôi các tham số mô tả HTĐH Các tham số dễ nhận thấy được như độ sâu (độ

cao), độ dốc, hướng dốc và các khu vực xói 16 - bồi tụ Vì vậy, dé đánh giá biến

động địa hình đáy biến cần thiết phải xem xét về sự biến động cả theo chiều ngang

và độ sâu của địa hình Xét tổng thể về mối quan hệ chặt chẽ trong một hệ thống, cóthể chỉ cần quan sát thấy biến động của bất cứ một tham số địa hình nào, ví dụđường bờ (bởi vì các tham số biến động đó là kết quả của xói lở và bôi tụ cả về

chiều ngang và chiều đứng của địa hình) là có thể dự đoán được biến động về độ

sâu và mặt bang cua day bién lién ké Tuy nhiên, độ chính xác nếu chi dua vào mộtvài tham số mà không có được số lượng biến động theo độ sâu, theo chiều ngang và

khối lượng thay đổi vật chất (thé tích) sẽ có thé dẫn tới nhiều sai sót trong quá trình

phân tích Vì vậy, một phân tích địa hình đáy biển dựa trên kết quả tính toán định

lượng về sự biến động độ sâu, biến động về thể tích khối lượng vật chất giữa các

chu kỳ thu nhận dữ mô hình số độ sâu (chu kỳ DBM) khác nhau là cần thiết

b) Nghiên cứu HTĐH đáy biên gắn liền với nghiên cứu biến động địa hìnhGiả thiết cơ bản trong địa mạo là ton tại một mối quan hệ chặt chẽ giữa cácquá trình động lực và HTĐH cụ thể Theo Wang và cộng sự [126], sự phát triển

HTDH đáy bién là kết quả của sự tương tác giữa chuyền động của nước, vận chuyển

tram tích và thay đổi đáy Như vậy, dé nghiên cứu một cách toàn diện về hình tháiđịa hình đáy biển, ngoài các nghiên cứu về địa hình, cần thiết phải nghiên cứu cả vềthủy động lực, vận chuyên trầm tích và tương tác qua lại giữa các yếu tố động lựcvới HTĐH Ngoài các nghiên cứu về thuộc tính địa hình thông thường được sửdụng trong nghiên cứu biển (xem Bảng 1.2), các nghiên cứu thông dụng khác vềHTDH đáy biển thường liên quan đến các nghiên cứu thành lập bản đồ địa mao đáybiển dựa trên nguyên tắc kết hợp nguồn gốc - hình thái - động lực Nội dung củabản đồ địa mạo đáy biển biểu diễn các đơn vị địa mạo có đặc điểm nguồn sốc, hình

thái, và động lực khác nhau Tập hợp các quá trình riêng biệt tạo ra các dạng đặc

trưng với hình dạng và kích thước đặc biệt, đồng nhất về nguồn gốc và hình thái,đồng nhất về hình thái và động lực được tạo ra bởi một quá trình địa mạo tích tụ haybóc mòn, được xác định dưới một vài yếu tố động lực nhất định (sóng, thủy triều,

dòng chảy, sinh vật, v.v.) Trong đó, đặc điểm hình thái và trắc lượng hình tháiđược quan tâm đầu tiên, sau đó là nguồn gốc và động lực tác động đến quá trình

thành tạo và biến đổi địa hình Các nghiên cứu thủy động lực phải bao gồm các tácđộng của mô hình dòng chảy do thủy triều, gió, sóng và dòng chảy theo sóng Vậnchuyên tram tích liên quan đến hỗn hợp cát, bùn và cát-bùn Do đó, các nghiên cứuhình thái không chỉ liên quan đến những thay đổi về chiều ngang (mặt bằng) và

chiều thắng đứng (độ sâu) mà còn cả những thay đổi về thành phan cơ chất hoặc

đáy cũng được xem xét Như vậy, nghiên cứu HTĐH gan chặt chẽ với nghiên cứu

sự biến động cả về chiều thăng đứng và chiều ngang của địa hình Dưới tác độngcủa các động lực ven bờ đảo, địa hình thay đôi liên tục cả về độ sâu do tác động của

sóng và hình dáng các bãi cát ven bờ đảo cũng thay đổi thường xuyên do tác động

của dòng chảy ven bờ.

Sự biến động địa hình có thể xảy ra cục bộ hoặc trên toàn diện rộng khu vựcnghiên cứu Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật GIS để xác định không gian và tính

toán giá trị biến động địa hình giữa các thời điểm khác nhau được thực hiện thuận

lợi và nhanh chóng Các sai số trong kết quả tính toán biến động cuối cùng đượckiểm soát ở từng bước dữ liệu liệu đầu vào, đến xây dựng mô hình DBM và thuậttoán phân tích không gian Đối với các khu vực có địa hình thay đổi liên tục và điềukiện động lực phức tạp, độ chính xác của kết quả xác định sự thay đổi tham số

chung và tham số cụ thé phụ thuộc vào độ chính xác dữ liệu thu thập (ty lệ bản đô)

Biến động địa hình dễ nhận thấy nhất là sự thay đổi tham số cụ thé, các khu vực xói

lở - bôi tụ phản ánh mật thiệt với các điêu kiện tự nhiên khu vực.

Nhìn chung, các nghiên cứu địa mạo, trong đó có hợp phần về hình thái địahình đáy biển ven đảo san hô xa bờ đã được nhiều nhà khoa học quan tâm trongnhững năm gần đây, đã đạt được nhiều kết quả mới cả về lý thuyết cũng như ứngdụng trong thực tiễn nhờ những tiến bộ về kỹ thuật quan trắc, thu thập số liệu và các

mô hình số độ sâu (DBM) Tuy nhiên, do khu vực các đảo ở xa bờ, khả năng thuthập số liệu theo một chuỗi thời gian liên tục trong một thời gian dài còn gặp nhiềukhó khăn Địa hình đáy biển ven đảo xa bờ có tính động rất cao và nhạy cảm đối với

9

những yếu tố tự nhiên cực đoan, có chu kỳ ngắn và ngày càng gia tăng về tần suất,nên việc nghiên cứu và thu thập thông tin về chúng còn bị nhiều hạn chế so với

những gì mong đợi Trong khuôn khổ của luận án, việc nghiên cứu đặc điểm địahình đáy biển vùng nước nông ven đảo được thực hiện thông qua phân tích nhữngkết quả tính toán định lượng các tham số hình thái địa hình dựa trên mô hình số độ

sâu DBM (độ dốc, hướng dốc, hướng địa hình, lưu vực); và kết quả tính toán biến

động độ sâu đáy biển, khối lượng các khu vực xói lở, bồi tụ từ các chu kỳ DBM

khác nhau và đường bờ nước tức thời giữa các chu kỳ thu nhận ảnh.

1.1.1.2 Đặc điển HTĐH đáy biển vùng nước nông ven đảo xa bờ

a) Vùng nước nông ven đảo xa bờ Tương tự như các đới của một đảo rạn san hô, khu vực nước nông ven đảo xa

bờ thường phân làm các vùng như: khu vực thuộc phạm vi bờ đảo, phần thềm đảo(gồm đới khe rãnh viền bờ, đới mặt bang rạn, đới mào ran, một phần đới trước và

đới sau), phần sườn dốc chuyên tiếp xuống đáy biển sâu (đới sườn rạn), phần chân

đáy (mặt bằng chân rạn) và đáy biển sâu (Hình 1.1) Đối với đảo san hô vòng, khuvực đầm phá là một thành phần của địa hình này [8, 39] Khu vực nước nông venđảo có thể tính đến độ sâu vài trăm mét, bao gồm phần thềm đảo, một phần sườndốc chuyền tiếp xuống đáy biển sâu, v.v Phần thềm đảo là khu vực ngập nước củađảo được tính từ đường mép nước bờ đảo, thoải dần ra đến biên tiếp giáp giữa khu

vực thêm đảo và khu vực sườn dôc Bản nỗi

chuyên tiếp xuống vùng biển sâu Khu Kiw ye mém aio

vực thềm đảo thường có độ sâu 30 mét

trở lại, tùy thuộc vào đặc điểm địa hình

từng khu vực khác nhau Ví dụ: Quần + su

đảo Mississippi phía bắc Vịnh Mexico

-Hoa Kỳ < 20m [59]; Khu vực Quần đảo

Virgin thuộc Hoa Kỳ 30m [101], 20 đến

30m khu vực quần đảo Trường Sa

-Viet Nam [8]; Ria thềm Puerto

10

RicoeVirgin nam ở phía đông bắc vùng biển Ca-ri-bê, với độ sâu 10-45m [63] Các

khu vực nước nông được xác định bằng ảnh vệ tinh quang học thường đến được độ

sâu từ 0,5 đến 25 mét, tùy thuộc vào độ trong suốt của nước [98, 117] Các khu vựcnày có địa hình bị thay đổi nhanh chóng do xói mòn và lắng đọng Trong khuôn khổnghiên cứu của dé tài luận án, khu vực nước nông trong phạm vì nghiên cứu đượcxác định giới hạn thuộc khu vực thêm đảo san hô, tới độ sâu 20m nước

b) Đặc điểm địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo xa bờCác đảo san hô xa bờ không bị ảnh hưởng bởi các trầm tích hoặc chất thảiđưa ra từ các con sông lớn Các nghiên cứu đều công nhận rang, rạn san hô đá vôimang lại nguồn cung cấp tram tích liên tục dé duy trì và phát triển địa hình ven đảovới thành phan chủ yếu là trầm tích bở rời, có thé thay đổi theo thời gian và không

gian theo sự phát triển của rạn san hô, và ảnh hưởng đến mô hình tích lũy và thành

tạo nên địa hình của đảo [86, 132].

Các khu vực nước nông ven đảo xa bờ thường có các đới động lực, như đới

sóng vỗ bờ, đới sóng vỡ và biến dạng, đới sóng lan truyền Theo các đới động lực sẽhình thành các đơn vị địa mạo, như: bãi biển tích tụ - mài mòn do tác động của sóng

và dòng chảy ven bờ; bãi biển mài mòn - tích tụ phát triển hệ thống rãnh triều do tác

động sóng - triều; bề mặt mài mòn - tích tụ nghiêng thoải dưới tác động mạnh củadòng chảy triều; bề mặt mài mòn - tích tụ nghiêng thoải do tác động của sóng chiếm

ưu thé, v.v Các đơn vị địa mao này thường gan liền với các đới ven bờ đảo Đớikhe rãnh viền bờ đảo chịu tác động của sóng vỗ bờ, làm xói lở bờ đảo và cung cấpvật liệu cho các vị trí khác nhờ dòng chảy ven bờ do sóng Đới mặt bằng nền rạn có

địa hình tương đối bằng phẳng, dốc thoải từ mép bờ đảo ra đại dương, thường có

các rãnh triều Đới mào rạn là khu vực thường chịu ảnh hưởng mạnh bởi sóng gió

và thủy triều, v.v [19, 27]

Xung quanh ven các đảo xa bờ thường chịu ảnh hưởng của nhiều động lựckhác nhau tạo ra bởi sóng, thủy triều, dòng chảy, sinh vật, v.v Mỗi tập hợp của các

yếu tố động lực khác nhau tạo ra các dạng địa hình đặc trưng với hình dạng và kích

thước khác nhau đồng nhất về nguồn gốc và hình thái Theo nhóm tác giả Kench và

11

cộng sự, động lực bờ biển ven các đảo xa bờ thường có hai nhóm chính: động lực

ngắn và trung hạn như động lực thủy triều, mực nước biển dâng do thuỷ triều hoặc

do hiện tượng nước dồn bởi sóng, vận chuyên trầm tích dọc bờ, thay đổi hướng gió,v.v.; và động lực dài hạn như sinh sản trầm tích, sự kiện nước biển dâng do biến đồi

khí hậu [87] Xét trong một giai đoạn ngắn, các nhà khoa học đều thong nhat rang:

Các quá trình vật lý, chủ yếu do năng lượng tới và khúc xạ của sóng xung quanhnên rạn san hô là một động lực quan trọng kích thích các quá trình địa mạo trên các

rạn san hô [68] Sóng từ đại dương sau khi bị phá vỡ và tiêu tán năng lượng ở bờ

mép ngoài của nền rạn san hô, tạo ra dòng chảy trên nền rạn Sự tương tác vật lýnay làm năng lượng tới của sóng thay đổi, bị phá vỡ và giải phóng năng lượng, cóthể giảm đến 90% tùy thuộc vào HTĐH và cấu trúc không gian khu vực [86] Nănglượng còn lại trở thành tác nhân kích thích sự xâm nhập và vận chuyên trầm tíchtrên nền ran làm xói lở, tích tụ và thay đôi địa hình bãi biên quanh đảo [86, 88] Vaitrò tiềm năng của năng lượng sóng trong việc thúc đây các quá trình địa mạo ở gần

bờ của các rạn san hô được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Theo Cohn và cộng sự [48], các bãi cát gần bờ đóng vai trò là rào cản tựnhiên đối với quá trình mài mòn-xói lở bờ biển, đặc biệt trong các sự kiện thời tiếtcực đoan Chúng bảo vệ bờ đảo thông qua sự tương tác vật lý của bãi cát ngầm vớisóng, làm tiêu tan năng lượng sóng: phá vỡ các dạng sóng và làm thay đổi vùngsóng, sóng liên triều và dòng chảy, thay đổi vị trí lắng đọng và sắp xếp lại trầm tích,làm thay đổi HTĐH ven bờ đảo [109, 127] Sự thay đổi kích thước, vị trí của cácđảo rạn san hô giữa các năm hoặc thập kỷ, hoặc sự thay đổi nhanh trong các cơnbão lớn thể hiện mối quan hệ nhân quả giữa khí hậu với hình thái đảo [88] Kết quanghiên cứu của Kench cho thấy những thay đổi về điều kiện gió mùa có thé tạo ranhững thay đổi đáng ké trong nền rạn san hô và dòng chảy gần bờ, nhưng mức độthay đổi thì phụ thuộc nhiều vào hình dạng và vị trí của rạn san hô Ở các đảo cóhình dạng tròn, dòng chảy có sự đảo ngược về hướng gần như hoàn toàn giữa các

mùa gió; còn dòng chảy ở các rạn san hô có hình dạng thon dài và hình tam giác thì những thay đổi mang tính cục bộ hon Cũng do vậy, HTĐH của đáy biển ven bờ của

12

các dao xa bờ thường có sự thay đổi lớn giữa các mùa (Hình 1.2) HTĐH đáy biển

trong một thời gian ngắn ở ven các đảo rạn san hô xa bờ có thé được dự đoán dựa

vào hướng gió và tý lệ thời gian

của nó trong mùa, vì sóng do gid có

thé xâm thực, vận chuyển trầm tích

bãi biển đến các điểm lắng đọng

khác nhau quanh thềm đảo Hiểu rõ

về những thay đổi của địa hình

được điều chinh/kiém soát bởi gió

mùa trong hệ thống bãi biển của

các đảo rạn san hô đóng vai trò

quan trọng trong hỗ trợ ra quyết

định trong quản lý biển Tuy nhiên, — Hồnh 1.2 Thay đổi bãi biển theo mùa gió

trong những năm gần đây, chỉ có một vài nghiên cứu thực hiện việc phân tích vềphan ứng địa mạo của các bờ biển rạn san hô với tác động theo mùa của gió, sóng

và dòng chảy Hạn chế này một phần do công nghệ thu thập số liệu, nếu thực hiện

trong một thời gian dài sẽ dẫn đến tốn kém kinh phí, đặc biệt do khó khăn thực hiện

ở các đảo xa bờ.

1.1.2 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu địa hình đáy biển vùng nước

nông ven các đảo san hô xa bo bằng đo sâu viễn thám và GIS1.1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu về do sâu viễn thám

a) Khái niệm và phân loại các công nghệ đo sâu viễn thám

Các công nghệ đo sâu đã có sự phát triển vượt bậc, từ thu thập số liệu độ sâutrực tiếp bang sào và dây doi đến công nghệ đo sâu hồi âm và hiện nay là công nghệ

viễn thám (Hình 1.3) Với kỹ thuật xác định độ sâu truyền thống (băng sào, dây dọihoặc thiết bị đo sâu hồi âm), sẽ cho kết quả độ sâu có độ chính xác cao Tuy nhiên,

bị giới hạn nhiều thông tin, đặc biệt thu thập dữ liệu cho một khu vực rộng lớn, khó

tiếp cận đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí tốn kém Các đặc tính đáy và thông tin độ

sâu cần thiết cho an toàn hàng hải thường bị thiếu [21, 77] Ngày nay, cùng sự phát

13

triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt

là sự phát triển của công nghệ thông

tin, kỹ thuật viễn thám đã được ứng

dụng trong nhiều ngành khoa học

khác nhau, từ phục vụ mục đích

đảm bảo Quốc phòng - An ninh đến

các lĩnh vực địa chât, môi trường,

khí tượng, thủy văn, v.v [22, 29J.

Theo Sichoix, để khắc phục nhược

Thu thập độ sau trựt tiếp:

Bing Sáovả đv ẩm _

®

——

Công nghệ viên thám hỏi âm:

Muiy dom tia, da tia

Lidar, anh pho

Céng nghệ view thăm may hay:

Viễn thảm vệ tỉnh:

Quang lọc

Hình 1.3 Công nghệ do sâu viễn thámđiểm của các công nghệ truyền thống đã nêu ở trên, sử dụng kết hợp dữ liệu trên tàu

và dữ liệu anh vệ tinh dé cải tiến dự đoán độ sâu [1 16]

Bảng 1.2 Các phương pháp do sâu viễn thám và uu điểm, hạn chế của chúng [79]

2 DO Kak

Cam Kiểu | chính Y eu to Uu diém Han ché Pham Mebiên xác kiêm soát $ áp dụng

Độ trong Ph am vt độ ; 1z xé, 4 | Môi tường

của nước | sâu rộng, Chỉ phí dat đỏ, thủy sinh

LIDAR Chủ ~15 em hoặc l độ đông thời chiêu rộng giới da dang

động đục, vật liệu |không cân |hạn, phải tiệp

Anh nước (độ |quy trình | tạp, nhiêu tham và can

quang Thụ Tương đục trong), vật lý sô dau vào - | cửa sôn ?

học siêu | động | đôi cao | mây, điêu |- Độ chính | - Dữ liệu tại chỗ | ~~ Š›

uang Thu chính | khí quyên, | đơn giản - Độ chính xác | vùng nước

¬ đa đôn: xác độ đục của | - Chính xác | thâp với độ sâu lớn | nông ven

nh 8 one | khác nước, phản | tại chiêu sâu - Dữ liệu tại chỗ thời các đảo

Chât lượng - Thực hiện | -Giới hạn độ sâu ;

; nước, điêu |đơn giản|- Độ chính xác |Gân bờ,

Anh kiện khí |băng trạm | thâp với độ sâu | vùng nước quang Thụ | Tương | quyén và | ảnh so lớn „ nông ven

học lập | động | đôi cao |điêu kiện | - Độ chính | - Chi phí đất đỏ | các đảo

thê góc chụp |xác có thê | mua ảnh lập thê |nôi, bãi

thu ảnh vệ |kiêm soát | - Nhà cung cap | cạn tinh duoc anh hạn chê

14

Do sâu bằng phương pháp viễn thám hay gọi tắt là “đo sâu viễn thám” là ứngdụng công nghệ viễn thám phục vụ công tác khảo sát, thu thập số liệu độ sâu mực

nước Các cảm biến đa phô, cảm biến siêu phô, v.v được gắn trên các thiết bị viễn

thám như máy bay, khinh khí cầu hay vệ tinh Chúng thu thập thập số liệu phản xạ

từ đáy biển [92], từ đó xác định độ sâu bằng nhiều phương pháp tính toán khác nhau(Bảng 1.3) Tư liệu viễn thám được thu thập bằng cách sử dụng thiết bị (cảm biến)tác động một cách gián tiếp, không tiếp xúc với đối tượng nghiên cứu Phương pháp

thu thập dữ liệu độ sâu có ưu điểm là nhanh hơn và có thể áp dụng cho các môi

trường khác nhau, bao gồm cả các vùng nước nông cạn ven biển và các khu vực

sông có độ trong của nước cao Ngoài ra, dit liệu thu thập từ viễn thám cho phép mô

hình hóa độ sâu ở các tỷ lệ không gian khác nhau mà các phương pháp truyền thốngkhông thể đạt được [92] Từ góc độ ứng dụng, phương pháp khảo sát bằng viễnthám quy định tỷ lệ không gian (độ phân giải và mức độ) của mô hình bề mặt cuốicùng Tỷ lệ này phụ thuộc nhiều yếu tô khác nhau như công nghệ cảm biến, khoảngcách cảm biến tới mục tiêu, v.v Thông thường, cảm biến càng xa mục tiêu thì độphân giải không gian càng thấp [77]

Công nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging): Do khoảng cách tới

mục tiêu bằng cách chiếu một xung tia laser và do xung phản xạ mau xanh và cậnhồng ngoại bằng một cảm biến Ánh sáng cận hồng ngoại được phản xạ trở lại cảmbiến sớm hơn, trong khi ánh sáng xanh xuyên qua cột nước đến đáy biên mới phản

xạ lại Sự khác biệt về thời gian và bước sóng laser sử dụng dé xác định độ sâu đáy

[79] Công nghệ này có độ chính xác khá cao, phù hợp ở các khu vực ven biên nông

và trong Tuy nhiên còn mới mẻ và chưa được phô biến rộng rãi, đặc biệt chi phi đắt

đỏ và cần tiếp cận khu vực đề thu thập số liệu [77]

Đo sâu sử dụng công nghệ viễn thám quang học đa phổ: Là công nghệ thu

nhận các bước sóng ánh sáng nhìn thấy (0,4 — 0,76 wm) qua vệ tinh hoặc máy bay

sử dụng cảm biến quang học Phương pháp được áp dụng xác định độ sâu nướcnông cho những khu vực không đủ độ tin cậy để sử dụng cho mục đích dẫn đường

hàng hải, phương pháp cho hiệu quả tốt về giá thành dé xác định độ sâu cho những

khu vực rộng lớn với nước nông và trong, phù hợp với nhu câu thu thập sô liệu một

15

cách liên tục, lâu dài, đặc biệt các khu vực sâu xa khó tiếp cận, v.v Tuy nhiên, độ

chính xác thấp hơn phương pháp Lidar và đo sâu hồi âm đa tia, chỉ ước tính được

độ sâu nước nông, nó phụ thuộc và độ đục trong của nước [49, 79].

Do sâu sử dụng công nghệ viễn thám quang học siêu phố: Phương pháp

xác định độ sâu từ ảnh siêu phổ tương tự như ảnh đa phd, dựa vào số lượng nhiều

kênh pho sử dụng cảm biến siêu phô có thé cho phép nhận biết chính xác hơn giữa

các thành phần khác nhau của cột nước và đáy biển Tuy nhiên, xử lý nhiều kênh

phổ dẫn đến độ phức tạp và hạn chế kha năng áp dụng của nó [35] Hơn nữa, anhsiêu phổ chủ yếu thu thập bằng máy bay, chi phí đắt đỏ, độ bao phủ hoặc sự thuậnlợi của môi trường từ ảnh siêu phô còn nhiều hạn chế

Đo sâu sử dụng công nghệ đo ảnh lập thể: Phương pháp đo ảnh, đầu vào làcặp ảnh lập thể, sử dụng trạm ảnh số cho các cặp ảnh lập thé dé xây dung mô hình

DBM theo cách tương tự như được thực hiện trên đất liền [107] Ưu điểm củaphương pháp này là nhiều hình ảnh có thể cùng đăng ký sử dụng điểm khống chếnhìn thấy được trên đất và nước, và kết quả là mô hình lập thể có thể được sử dụng

để tính toán độ sâu nước mà không dựa vào dữ liệu đo đạc tại chỗ Tuy nhiên,

phương pháp này chưa được nghiên cứu rộng rãi vì những hạn chế trong khả năng

thu ảnh của cảm biến hiện tại [107] Hiện nay các cảm biến vệ tinh đa phổ không cókhả năng để thu thập đủ ảnh lập thê độ phân giải cao trong góc hẹp cần thiết [79].Ngoài ra, sự lựa chọn nhà cung cấp còn hạn chế, chi phí còn đắt đỏ

Nhìn chung, các phương pháp đều có ưu, nhược điểm khác nhau đối với từngloại ứng dụng, từng phạm vi khu vực Đối với các khu vực đảo xa bờ, có địa hình

thay đổi liên tục, cần được thu thập số liệu thường xuyên dé nghiên cứu HTDH thì

các công nghệ hiện đại có độ chính xác cao như LIDAR hoặc các phương pháp đo

sâu sử dung ảnh siêu phố, anh lập thê thường rất tốn kém, đặc biệt không khả thi đốivới những khu vực không tiếp cận được Công nghệ viễn thám quang học đa phô déxác định độ sâu cho những khu vực này với yêu cầu xử lý dữ liệu liên tục phục vụđánh giá thay đổi HTĐH là phù hợp nhất, với chi phí rẻ, khảo sát thực địa ít Đặcbiệt, thường ít phải tiếp xúc với khu vực thực nghiệm mà độ chính xác vẫn đảm bảo

16

trong đánh giá HTDH Vi vậy, tư liệu ảnh viễn thám quang học đa phổ được lựa

chon dé xác định độ sâu trong đề tài này

b) Tổng quan nhóm phương pháp xác định độ sâu bang ảnh quang học da phốPhương pháp do bức xạ phé dé xác định độ sâu dựa vào nguyên lý cường độánh sáng nhìn thấy bị giảm dan trong khi độ sâu nước tăng lên Tổng quan thấyrằng, đo phố để xác định độ sâu có 2 nhóm phương pháp: Phương pháp thực

nghiệm và phương pháp phân tích (mô hình vật lý) [10, 64].

Nhóm mô hình phân tích: Mô hình này hoàn toàn dựa trên cách thâm nhập

ánh sáng trong nước Phát triển mô hình này đòi hỏi một số tính chất quang học củanước trên khu vực gần bờ như hệ số hấp thụ lơ lửng và vật liệu hòa tan, hệ số Suygiảm, hệ số tán xạ, hệ số tán xạ ngược, phản xạ đáy, v.v., [62] Theo Dekker và

cộng sự, phương pháp này có độ chính xác tốt [51], tạo được độ sâu nước và phản

xạ đáy [64] Tuy nhiên, mô hình này đòi hỏi kiến thức trước về tính chất phổ của

nước khu vực nghiên cứu, thời gian và khả năng xử lý phức tạp hơn các nhóm mô

hình khác, đòi hỏi độ chính xác bằng phép đo bức xạ đầu vào của ảnh vệ tinh (nghĩa

là chúng rất nhạy với hiệu chỉnh khí quyền được sử dụng dé chuyên đổi tổng bức xạ

mà vệ tinh nhận được sang bức xạ truyền từ cột nước, loại bỏ hoàn toàn bức xạ khí

quyền là cần thiết nhất) Ngoài ra, nhóm thuật toán này thường không thé đạt đượcước tính độ sâu với sai số trung bình bình phương nhỏ hơn ~1-2 m ở vùng nướcnông <20 m [64] Vì vậy, việc kết hợp mô hình phân tích với các dạng mô hìnhkhác như mô hình thực nghiệm dé hỗ trợ lẫn nhau là cần thiết [62]

Nhóm mô hình thực nghiệm: Trong mô hình thực nghiệm, mối quan hệ bức

xạ trên ảnh vệ tinh và độ sâu lay mẫu được thiết lập theo thực nghiệm mà không cầnquan tâm đến cách ánh sáng truyền trong nước Mô hình thực nghiệm dựa trên giảđịnh rang, phản xa trong cột nước liên quan chủ yếu đến độ sâu và độ đục của nước

Hầu hết tất cả các mô hình này đều giả định hệ số suy giảm không đổi và loại đáy

đồng nhất trên toàn cảnh ảnh [64, 91] Các phương pháp này thường thông dụng, dễ

sử dung it điểm mau độ sâu, phù hợp với các nhiệm vụ nhanh, các khu vực khó tiếpcận [117] Tuy nhiên, giả thiết môi trường đồng nhất trên toàn cảnh là một nhược

17

điểm của phương pháp này, cần có giải pháp kết hợp với mô hình phân tích để khắc

phục nhược điểm này [62, 64, 91].

Ngoài ra, mô hình kết hợp là sự kết hợp của mô hình phân tích và thực nghiệm.Phương pháp kết hợp này được dé xuất bởi nhiều tác giả dé khắc phục sự sụp đồ của

ca hai mô hình trên [84, 123] Theo Dekker và cộng sự, mô hình bán phân tích có một

số lợi thế đề lập bản đồ môi trường khu vực nước nông: (1) độ lặp lại: phương pháp

có thê được áp dụng cho ảnh đa thời gian và hiệu chỉnh dé thay đổi độ sâu cột nước

và nồng độ khác nhau của các thành phan cột nước; (2) khả năng chuyên đổi: việc ápdụng các mô hình vào dữ liệu từ nhiều loại cảm biến hình ảnh rất đơn giản; (3) phântích độ nhạy và lỗi có thê được xác định một cách khách quan; và (4) tốc độ xử lýnhanh hơn, và không đòi hỏi nhiều kiến thức về tính chất quang phổ của nước.Phương pháp mô hình bán phân tích thường được tiếp cận từ ba hướng: (1) cách tiếpcận từ mô hình phân tích dựa vào một số tham số thực nghiệm [38, 51]; (2) cách tiếpcận dựa trên sự phù hợp của độ sâu, chất đáy, v.v với một thư viện phổ được tínhtoán trước [74, 96]; (3) Phương pháp bán phân tích thường tiếp cận từ cải tiến các

phương pháp thực nghiệm như Lyzenga, Stumpf, DOP, v.v trên tư liệu ảnh viễn

thám quang học Do đó, các phương pháp bán thực nghiệm được cải tiễn từ phương

pháp thực nghiệm trên tư liệu ảnh đa phổ là giải pháp phù hop trong nhiều nghiêncứu ở nhiều khu vực khác nhau

c) Tổng quan về các nghiên cứu phương pháp thực nghiệm và phương phápkết hợp dựa trên phương pháp thực nghiệm và phân tích trong xác định độ sâu

Đầu vào thực nghiệm thường là các kênh phổ phản xạ ở các bước sóng nhìn

thấy khác nhau hoặc các kênh phân tích thành phần chính [66] có khả năng xuyên

thâu trong môi trường nước đã hiệu chỉnh (đơn kênh, đa kênh) và độ sâu thực đã thuthập Các giá trị đầu vào trên thường gọi là tập dữ liệu huấn luyện Từ tập dữ liệuhuấn luyện, xác định các hệ số miêu tả mối liên quan giữa độ sâu và các giá tri triphô Có thé sử dụng các phương pháp toán học khác nhau dé xác định các tham sốcủa mô hình này như: các phương pháp tuyến tính (phương pháp hồi quy tuyến tính

bình phương tối thiểu (OLS) hay gọi là phương pháp hồi quy toàn cục) và các

18

phương pháp phi tuyến tính (học máy, mạng neuron, phân vùng độ sâu xuyên thấu)

[65, 83, 93], phương pháp hỗ trợ máy Vector [64], v.v Đối với độ sâu lấy từ ảnh đa

phd, việc chọn thuật toán phù hợp nhất đối với khu vực thực nghiệm là rất quan

trọng, vì đó là chọn được phương pháp và cảm biến ảnh phù hợp nhất [79] Đối với

phương pháp thực nghiệm, có 3 phương pháp thông dụng và được sử dụng rộng rãi

trên thé giới: phương pháp kênh tuyến tính (PP-KTT), phương pháp tỷ số tuyến tính(PP-TSTT) và phương pháp phân vùng độ sâu xuyên thấu (PP-PVĐSXT)

PP-KTT: Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất phương pháp sử dụng ảnh đaphố dé giải quyết các điều kiện không đồng nhất trong điều kiện nước nông venbiển, đảo vốn biến động và phức tạp Các thuật toán này cố gắng cô lập các thànhphần suy giảm của nước và ước tính độ sâu bằng cách sử dụng kết hợp các kênhphổ Tiên phong kỹ thuật này là Polcyn và Sattinger [113], tìm kiếm mối quan hệ

giữa độ sâu nước và bức xạ phan xạ trên một hoặc nhiều kênh phổ Tuy nhiên, dé áp

dụng phương pháp này với số kiểu nước và chất đáy khác nhau trong một cảnh, sẻgặp một số khó khăn vì phổ phản xạ thay đổi ở các loại nước khác nhau [97]

Do tính hiệu quả và đơn giản của nó, có nhiều tác giả đã đề xuất, chỉnh sửa

và phát triển phương pháp sử dung đa kênh khác nhau như: Lyzenga, Fonstad va

Marcus [60]; Ceyhun và Yalcyn [42]; Clack và cộng sự [45, 46]; Phi Bierwirth và cộng sự [36], v.v Thuận lợi của mô hình này trong xác định độ sâu là: (1) tăng tính

linh hoạt vì các kênh phổ không hạn chế, (2) nhạy cảm thấp hơn với nhiễu, và (3)

hiệu suất được cải thiện qua việc sử dụng nhiều hơn 2 kênh phô Điểm không thuận

lợi là vẫn nhạy cảm với các tham số môi trường và yêu cầu hiệu chuẩn độ sâu, đặc

biệt là những thay đổi trong phản xạ đáy và đáy có suất phản chiếu thấp, phản xạ do

lóa mặt trời gây ra hoặc do sóng trên bề mặt biển hoặc sự suy giảm nước gây ra lỗitính toán độ sâu Nhóm Lyzenga va cộng sự đã cải tiễn thuật toán bằng cách hiệuchỉnh ảnh hưởng của lóa mặt trời lên toàn bộ cảnh ảnh Kết quả độ sâu từ tính đượccho thay phương pháp ít nhạy cảm với một số loại chất đáy nhất định [99]

Nhiều nghiên cứu đã thành công trong xác định độ sâu sử dụng phương pháp

Lyzenga như: Clack và cộng sự [45] cũng đã chứng minh và áp dụng phương pháp

19

tuyến tính đa kênh cho 2 kênh Green và Blue trên ảnh Landsat 4 TM cho khu vựcIsla de Vieques, một hòn đảo ngoài khơi bờ biển phía đông nam của Puerto Rico ởvùng biển Ca-ri-bê Kết quả độ sâu tính đến 25m nước, RMSE mô hình đạt 0,95 đến

1,23 mét, R7 đạt 0,86; Hogrefe [76] đã áp dụng và đánh giá phương pháp Lyzenga

va Stumpf trên ảnh Ikonos cho khu vực đảo Tutuila, Samoa thuộc Mỹ; Deidda và

Sanna [50] đã trình bày các phép tiền xử lý trước khi phân loại đáy biển như hiệu

chỉnh khí quyền, loại bỏ loa mặt trời của Hedley, hiệu chỉnh cột nước; Liu và cộng

sự [94] thực nghiệm trên đảo Naozhou tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc Nghiên cứudựa vào ảnh SPOT-5, đánh giá khả năng thành lập bản đồ 1 kênh, 2 kênh từ môhình kênh tuyến tính qua tham số MRE va MSE (mô hình 2 kênh tốt hơn 1 kênh),đánh giá độ chính xác từng khu vực độ sâu (0-5m là tốt nhất) Nhóm tác giả cũng

kết luận rằng, dữ liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao miêu tả chỉ tiết thông tin địa hìnhdưới nước; Kanno và Tanaka [84] đã kiểm tra độ chính xác của phương pháp

Lyzenga ở các điều kiện khác nhau; G Doxami [53] đã thử nghiệm loại bỏ lóa mặttrời bằng phương pháp Hedley [73], sau đó áp dụng mô hình Lyzenga để ước tính

độ sâu cho 3 khu vực khác nhau, khu vực có cỏ biển, khu vực hỗn hợp và khu vực

không có cỏ biển trên ảnh vệ tinh đa phố độ phân giải cao Worldview2; A Pacheco

và cộng sự [108] đã xác định độ sâu khu vực nước nông trên anh Landsat 8 ở ở

miền nam Bồ Đào Nha băng thuật toán tuyến tính Lyzenga và thuật toán này cóhiệu quả trong việc truy xuất đữ liệu độ sâu từ dir liệu vệ tinh quang pho cho độ sâunước nông (0 đến 12m), cho thấy chênh lệch trung bình -0,1m và sai số trung bìnhgốc của 0,89 m Độ chính xác giảm ở những khu vực có độ đục cao, chăng hạn như

các vi trí liền kề với cửa triều, và gần bờ, v.v Ngoài ra, nhiều tác giả cũng đã đánh

giá để lựa chọn các tham số cho phù hợp với từng khu vực nghiên cứu, như: Claude

Flener [57], Isabel Narra Figuelredo va cộng sự [56], v.v.

Tóm lại, PP-KTT đa biến của Lyzenga và cộng sự là pho biến và đã sử dungrộng rãi Tuy nhiên, mô hình thực nghiệm đơn thuần này vẫn còn một số hạn chế

cần tiếp tục nghiên cứu, thực nghiệm vì các lý do sau: (1) Độ chính xác mô hình

phụ thuộc nhiều vào các bước tiền xử lý ảnh như hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí

20

quyền, hiệu chỉnh lóa, v.v Vì vậy, cần phải thử nghiệm, lựa chọn các tham số môhình phù hợp cho các khu vực thử nghiệm khác nhau do phụ thuộc vào điều kiệnchất lượng nước, môi trường từng khu vực Ngoài ra, mô hình vẫn hạn chế nhữngkhu vực có suất phản chiếu thấp, và sẽ gây lỗi những khu vực có cỏ biên hấp thụ tán

xạ (2) Mô hình vẫn dựa vào giả thiết chung của nhóm mô hình thực nghiệm là đồng

nhất về chất lượng nước và chất đáy, tức là các giá tri điểm ảnh trên toàn cảnh có hệ

số đối với chất lượng nước là như nhau, đây là một hạn chế của phương pháp mà

không tồn tại giả thiết trên thực tế Vì vậy, cần phối hợp với phương pháp phân tíchđiều kiện chất lượng nước và phân bố chất đáy hoặc một phương pháp toán họckhác liên quan đến phân bố khu vực địa lý theo các điều kiện chất lượng nước khácnhau dé giảm thiểu các sai số do giả thiết gây ra

PP-TSTT: Một nỗ lực để đưa ra giải pháp ước tính độ sâu độc lập với loại

đáy là sử dụng tỷ lệ phản xạ cho hai kênh phô khác nhau [45, 89, 117] Do tốc độ

suy giảm ánh sáng trong nước phụ thuộc vào bước sóng, nên tỷ lệ phản xạ cho hai

bước sóng khác nhau là một hàm của độ sâu của nước và theo lý thuyết, ít nhạy cảmhơn với suất phản chiếu đáy Theo nhóm nghiên cứu, mô hình này có thé ước tính

độ sâu nước tốt hơn cho các khu vực nước đục và khắc phục những điểm yếu chính

của mô hình kênh tuyến tính, độ sâu chính xác hơn ở những khu vực nước sâu, tínhđược độ sâu ở những khu vực có chất nền tối nơi mà bức xạ đáy thấp hơn bức xạ

nước sâu, thành công trong việc tạo ra độ sâu thậm chí lớn hơn 25m trong trường

hợp nước trong, không yêu cầu trừ các điểm tối trên ảnh và yêu cầu hệ số thựcnghiệm ít hơn cho giải pháp giúp ứng dụng của nó tương đối dé dàng hon và mạnh

mẽ hơn [117].

Đây là phương pháp dễ thực hiện, được các nhà khoa học trên thế giới thửnghiệm và tiếp tục nghiên cứu cho các khu vực khác nhau Điền hình là Jagalingam

và cộng sự thử nghiệm trên ảnh Landsat8 bờ biển phía tây nam của Ấn Độ [78] với

kết quả đạt được độ sâu 20m và R7 đạt 0,87, và nghiên cứu chứng minh rằng, việc

loại bỏ nhiễu trước khi xây dựng mô hình là cần thiết để nâng cao độ chính xác; Wee

và Pradhan [120] thử nghiệm tại đảo Langkawi (Malaysia) trên ảnh vệ tinh Landsat8,

21

độ sâu dat được 21m, RMSE: 1,521m; L Hakim và cộng sự [70] thực nghiệm tai dao

Pahawang, Lampung (Indonesia) trên ảnh WorldView2; Khondoker và cộng sự đã

nghiên xác định độ sâu sông Hằng ở Bangladesh trên ảnh Worldview2 [90]; XavierMonteys và cộng sự thực nghiệm ở Vinh Dublin ở bờ biển phía đông của Ireland[103]; Ngoài ra, phương pháp này còn được so sánh với một số phương pháp khácnhư: Jawak và cộng sự [80] trên ảnh WV2, kết quả cho thay mô hình Lyzenga mang

lại kết quả tốt hơn mô hình Stumpf; Najhan Md Said và cộng sự [105] thực nghiệm

tại cảng Tawau (Malaysia) cho thấy rằng, thuật toán tỷ số tuyến tính cho kết quả tốthơn (RMSE: 1,432) so với kênh tuyến tính (RMSE: 1,728) và nhiều so sánh tương tựkhác [33, 104] PP-TSTT có nhiều thuận lợi và dễ thực hiện Tuy nhiên, thành công

của PP-TSTT bị hạn chế cho các vùng có loại đáy biến đồi cao [53], là động lực chomột số nghiên cứu sử dụng các phương pháp phức tạp hơn như mạng noron nhân tạo,

kỹ thuật học máy và hồi quy trọng số [42, 65, 93]

Giải pháp nâng cao độ chính xác các phương pháp tuyến tính: Philpot[110] đã phân tích chi tiết các tham số mô hình truyền bức xạ trong môi trườngnước, nêu phân tích quang phô nghiêm ngặt sẽ không còn đủ điều kiện dé trích xuất

độ sâu từ ảnh đa phổ Vì vậy, nhiều tác giả đã đề xuất sử dụng các biến thời gian và

không gian để đảm bảo trích xuất tốt độ sâu cũng như các loại đáy khu vực nghiêncứu Haibin Su và cộng sự [118] đã giải quyết sự không phù hợp của mô hìnhnghịch đảo độ sâu toàn cục bằng cách đề xuất mô hình hồi quy thích ứng trọng sốđịa lý (GWR) dé cải thiện xác định độ sâu trong môi trường biển phúc tạp, khôngđồng nhất từ ảnh vệ tinh Ikonos va Landsat khu vực đảo Kauai (Hawaii) Các tác

giả đã cải tiến bằng việc thay vì xác định các hệ số trong mô hình hồi quy là cỗ định

thì nghiên cứu này không cố định về các tham số hồi quy bằng phương pháp hồiquy trọng số địa lý (Hình 1.4) Kết quả thực nghiệm cho thấy răng: R7 tăng từ 0,79lên 0,94m, RMSE (đạt 2m) tổng thể của các mô hình đảo ngược cục bộ giảm 47%

với anh Landsat ETM+ và 66% với ảnh IKONOS so với RMSE của mô hình toàn

cục Phương pháp này đã được ứng dụng thử nghiệm thành công ở nhiều khu vựckhác nhau [44, 123, 124].

22

Hồi quy toàn cục Hồi quy vùng Hồi quy cục bộ

Hình 1.4 Các dạng mô hình hồi quy trong xác định độ sâu từ ảnh vệ tỉnh

Kerr và Purkis cung câp một câu nôi giữa phương pháp thực nghiệm và phân

tích, kết hợp mô hình truyền của cột nước với thuật toán tỷ lệ của phương pháp

Stumpf [89] Phương pháp này thực hiện trên ảnh RapidEye khu vực đảo Andros

(Bahamas), RMSE đạt 1,43m, đạt đến độ sâu 15m nước trong môi trường Cacbonatnhiệt đới mà không cần đo độ sâu nước tại chỗ Đây là một giải pháp tốt để xác định

độ sâu của nước đối với khu vực không tiếp cận được Tuy nhiên, độ chính xác vẫnđạt được trong một phạm vi giới hạn, các số liệu về một số tham số môi trườngnước vẫn phải thu thập để xây dựng bảng tham chiếu phản xạ phổ [64] Cũng cách

tiếp cận cải tiến này, Geyman và Maloof [64] đã đề xuất một phương pháp đơn giản

nhưng mạnh mẽ hơn hơn thông qua hiệu chỉnh các mối quan hệ màu ảnh với độ sâuriêng cho từng lớp phổ cụ thé Thuật toán hồi quy dựa trên cụm dé phân vùng bềmặt thành các vùng khác nhau trên từng lớp phổ và sau đó khớp các vùng với mộtmặt phang riêng phù hợp bằng thuật toán máy vector Kết quả đạt độ chính xác rấtcao (sai số tuyệt đối trung bình là 0,19m, R*: 0,9) Trong khi đó, sai số tuyệt đối0,59 - 0,69m (53 - 62%) và giá trị R7 chi 0,33 chứng tỏ bề mặt nước khu vực thửnghiệm rat bằng phang và màu ảnh quá tương quan với độ sâu khảo sát Điểm yếucủa SVM so với các thuật toán tuyến tính kênh, tuyến tính tỷ lệ và CBR là hoạtđộng kém khi ngoại suy ngoài phạm vi của tập dữ liệu hiệu chuẩn [64] và phươngpháp này thực hiện phức tạp, khá mới, chưa được kiêm chứng nhiều trên thế giới

PP-PVĐSXT: Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là các bước sóng ánhsáng khác nhau xuyên qua nước ở các mức độ khác nhau Ánh sáng có bước sóngdai hơn (màu đỏ trong phần phổ nhìn thấy) có hệ số suy giảm lớn hơn các bước

23

sóng ngắn (xanh nước biển và xanh da trời) Mỗi bước sóng ánh sáng sẻ có một độ

sâu xâm nhập lớn nhất, tại độ sâu đó tất cả ánh sáng bị suy giảm hoàn toàn Xét theo

sự giảm dần độ dài bước sóng, ánh sáng đỏ sẻ bị suy giảm nhanh nhất Tuy nhiên,

tại độ sâu ánh sáng đỏ suy giảm hoàn toàn này, sẽ vẫn có một ít ánh sáng được phát

hiện bởi ánh sáng xanh da trời (Green) và ánh sáng xanh nước biển (Blue) VingDOP được khoanh vùng bằng độ sâu thâm nhập tối đa của các kênh liên tiếp có

bước sóng ngắn hơn Căn cứ vào nguyên lý sự suy giảm ánh sáng trong cột nước,

kết hợp với các điểm giới hạn về độ sâu lớn nhất xâm nhậm của các kênh ảnh, nhóm

tác giả đã xây dựng các vùng DOP và nội suy độ sâu cho mỗi vùng DOP dựa vào

các tham số trong vùng DOP đó [69, 83]

Có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và so sánh thuật toán vùng DOP với các

thuật toán khác, điển hình là thực nghiệm của Green [69] Nhóm nghiên cứu đã thực nghiệm ba phương pháp của Benny va Dawson, PP-KTT và phương pháp vùng

DOP với các ví dụ đã được thực hiện tại Quần đảo Turks và Caicos Độ chính xác

độ sâu dự đoán được kiểm tra với dit liệu khảo sát hiện trường và nêu ra một sékhuyến nghị về phương pháp tốt nhất Kết quả nghiên cứu cho thấy, đối với hai

thuật toán kênh tuyến tính và thuật toán của Benny và Drawson cho kết quả kém, hệ

số tương quan 0,5 Ngược lại phương pháp phân vùng DOP cho hệ số tương quancao là 0,91 giữa độ sâu dự đoán và độ sâu thực tế và yêu cầu đữ liệu đo độ sâu

trường rộng lớn Ngoài ra, nghiên cứu nay cũng so sánh chi phi thời gian cho các

thuật toán đó Thuật toán Benny and Dawson, chi phí 0,5 ngày đọc phương pháp va

0,5 ngày xử lý ảnh Thuật toán kênh tuyến tính, chi phí 1 ngày đọc phương pháp va

1 ngày xử lý ảnh Trong khi đó, thuật toán vùng DOP tốn nhiều thời gian xử lý nhất,

2 ngày đọc phương pháp và 2,5 ngày xử lý ảnh.

d) Nhận xét chung về các nghiên cứu trên thế giới

Phương pháp xác định độ sâu từ ảnh viễn thám đa phổ đã và dang phát triểnmạnh mẽ và ngày càng lan rộng sang các nước đang phát triển Tuy nhiên, cácphương pháp vẫn còn phụ thuộc nhiều vào khu vực thực nghiệm Các thực nghiệm

so sánh, đánh giá giữa các phương pháp vẫn không có sự nhất quán Do đó, dé áp

24

dụng phương pháp xác định độ sâu từ tư liệu ảnh viễn thám quang học đa phổ, cần

có sự thực nghiệm, kiểm tra, đánh giá, lựa chọn phương pháp phù hợp với đặc điểm

môi trường khu vực nghiên cứu, đề xuất quy trình xác định độ sâu từ tư liệu ảnhviễn thám quang học Qua tổng quan các van dé liên quan về xác định độ sâu từ ảnhviễn thám đa phổ có một số nhận xét sau:

- Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám đa phô để ước tính độ sâu được sử dụng rộng

rãi, chỉ phí ít và thực hiện một cách dễ dàng, đơn giản;

- Kết hợp các phương pháp tiền xử lý ảnh (hiệu chỉnh vùng nước sâu, lóa bềmặt nước biển) dé thực hiện day đủ quy trình là cần thiết, nhằm nâng cao độ chínhxác phương pháp xác định độ sâu Một số thuật toán có tính vượt trội về hiệu chỉnhnhư Hedley dé hiệu chỉnh khí quyên và bề mặt nước, phương pháp hồi quy thích

ứng địa lý để khắc phục sự giả thiết về sự đồng nhất của cột nước và chất đáy, v.v

- Các PP-TSTT, PP-KTT đã từng bước được cải tiễn từ mô hình thực nghiệm

sang các mô hình bán thực nghiệm, đem lại hiệu quả tốt dé ước tính độ sâu khu vựcnước nông gần bờ Sử dụng phương pháp GWR để khắc phục sự giả thiết về sựđồng nhất của cột nước và chất đáy Ngoài ra, PP-PVĐSXT cũng được đánh giá cao

trong một số nghiên cứu Vì vậy, trong khuôn khổ luận án cũng nên thực nghiệm

thuật toán này dé so sánh kết qua với hai thuật toán tuyến tính trên, làm cơ sở dé lựachọn thuật toán tốt nhất cho quy trình

Nhìn chung, PP-KTT, PP-TSTT, PP-PVDSXT được sử dụng rộng rãi trên thếgiới Tuy nhiên, độ chính xác của các phương pháp thay đổi theo từng điều kiệnmôi trường khác nhau, tiến hành thực nghiệm, đánh giá, lựa chọn phương pháptrước khi sử dụng là cần thiết Ngoài ra, phương pháp hồi quy trọng số địa lý làphương pháp được một số nhà khoa học trên thế giới thực nghiệm và kiểm chứng,

có thé giải quyết tốt về tính không đồng nhất về chất đáy và cột nước trong mộtcảnh ảnh, đem lại hiệu quả và độ chính xác rất cao Đặc biệt, phương pháp thựchiện đơn giản, có nhiều công cụ hỗ trợ, đánh giá và có thể xây dựng mã nguồn

thành công cụ tính toán chuyên sâu Vì vậy, luận án tiến hành thực nghiệm ba

phương pháp trên và hồi quy trọng số địa lý được áp dụng dé đánh giá ảnh hưởng

của tính đông nhât môi trường nước.

25

1.1.2.2 Tổng quan ứng dụng GIS trong nghiên cứu địa hình đáy biển

a) Phương pháp GIS trong trích xuất thông tin địa hình

Mô hình số độ cao DEM (hoặc mô hình số độ sâu đối với đữ liệu đáy biểnDBM) là một thành phan quan trọng của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và thườngđược sử dụng vào: (1) mô hình thủy văn bao gồm mô phỏng lũ lụt, phân định vàphân tích lưu vực và mạng lưới thoát nước; (2) xói mòn đất và mô hình vận chuyềntrầm tích; (3) phân định và nghiên cứu các đơn vi dia ly; (4) nghiên cứu đất và sinh

thái; (5) đánh giá địa mao; (6) các ứng dụng công trình dân dụng và quân sự như lựa

chọn địa điểm và tuyến đường, đánh giá nguy cơ trượt đất, phân tích tầm nhìn, v.v

Mô hình DEM cung cấp mô tả định lượng bề mặt theo độ dốc, hướng và độ cong

địa hình, v.v.

Dữ liệu độ sâu tinh được từ ảnh vệ tinh là dữ liệu lưới Raster trong đó giá tri điểm ảnh là giá trị độ sâu được tính từ ảnh vệ tinh Như vậy, độ sâu tính được từ

ảnh vệ tinh đã được lưu ở dạng một mô hình số độ sâu DBM có độ phân giải là độ

phân giải của ảnh vệ tinh Day là một thuận lợi trong việc phân tích địa hình sử

dụng kỹ thuật GIS [130] Theo phương pháp Evan (1980), bề mặt DEM xấp xỉ bằngphương trình bậc hai hai chiều Z = aX* + bY? + cXY + dX +eY + f Trong đó, Z

là độ cao của bề mat DEM và X, Y là toa độ mặt bằng Có nhiều thuật toán khácnhau đã được nghiên cứu để xác định các tham số của phương trình Một số thuật

toán thông dụng như Chênh lệch hữu hạn bậc hai (2FD), Chênh lệch hữu hạn bậc ba

(3FD), Chênh lệch hữu hạn bậc ba có trọng sé bang nghich dao cua khoang cachbình phương (3FDWRSD), Chénh lệch hữu han bậc ba có trong số đối ứng khoảng

cách (3FDWRD), Chênh lệch hữu hạn khung (FFD), v.v Các thuật toán đã được

nghiên cứu, so sánh và đánh giá sai số bằng thực nghiệm ở các dạng địa khác nhau

(đồi nui cao, đồng bằng, và đồi núi trung bình) [119] hoặc so sánh bề mặt chuẩn

được tạo ra bởi mô hình toán học [134] Tuy nhiên, không có một kết luận thong

nhất về thuật toán nào có độ chính xác tốt nhất Với su phát triển công nghệ GIS,

các hệ số trong phương trình dễ dàng được xác định dựa vào cửa số (nx n với n là

số lẻ) kết hợp giữa các điểm ảnh láng giềng Từ mô hình số DEM, một loạt các

thuộc tính địa hình được trích xuất mà không cần đầu vào bất kỳ thông số nào khác.Các thuộc tính này được phân ra làm 2 loại, thuộc tính chính (sơ cấp, khoảng 30

26

thuộc tính: độ cao, độ dốc, hướng, v.v.) và thuộc tính phụ (thứ cấp: đường phân

thủy, v.v.) Các thuộc tính thứ cấp là kết quả kết hợp của một số thuộc tính sơ cấp.Theo Wilson [131], nhiều thuộc tính thứ cấp có thể mang lại cùng một thông tinnhư thuộc tinh sơ cấp, dẫn tới dé xảy ra hiện tượng cộng tuyến khi diễn giải

Hai tham số hình thái quan trọng nhất là độ dốc và hướng dốc; đây là nhữngthuộc tính chính để xác định thuộc tính sơ cấp là hệ thống lưu vực của bề mặt địa

hình Trước khi có các công cụ hỗ trợ trên máy tính thì phương pháp xác định lưu

vực sông phô biến là sử dụng bản đồ cao độ địa hình, tạo các đường đồng mức, sau

đó khoanh lưu vực theo những cao độ lớn nhất trên khu vực nghiên cứu Tuy nhiên,

với sự phát triển máy tính, các thuật toán chiết tách thông tin từ mô hình DEM pháttriển vượt bậc, có nhiều thuật toán được nghiên cứu và được chia làm hai nhóm:Single Flow Direction (SFD) và Multiple Flow Direction (MED) Một số thuật toánthông dụng như D8, Rho8, DEMON, D-œ, MD-œ, Mass Flux và FD8 Có nhiềuthực nghiệm đánh giá so sánh độ chính xác của các thuật toán trên và kết quả đềucho thấy thuật toán các thuật toán MFD cho kết quả tốt hơn các thuật toán SFD

[114] Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, một khu vực nhỏ với địa hình dốc

thoải đều, thuật toán SFD cũng cho kết quả tốt, đặc biệt là thuật toán D8 Hau hếtcác công cụ được xây dựng dựa trên lý thuyết "mô hình dòng chảy 8 hướng" (D8flow direction Model) [121] Mô hình này dựa trên lí thuyết là dòng chảy tại một ôlưới (grid) sẽ chảy đến 1 trong 8 hướng xung quanh ô lưới đó

Các chức năng phân tích địa hình từ mô hình DEM đã được tích hợp vào các

phần mềm GIS thương mại (như ArcGIS, Intergraph Geomedia, MapInfo, AgisoftPhotoScan, ERDAS Imagine, v.v.) và phần mềm miễn phí (PCRaster, QGIS,TAPES, GRASS, LandSurf, MicroDEM, v.v.) Tuy nhiên phần mềm ArcGIS được

sử dụng rộng rãi và có nhiều công cụ phong phú, hỗ trợ đầy đủ và cho kết quả đáng

tin cậy như: Spatial Analyst toolsets, Addin GCD để tính biến động địa hình, v.v

Hơn nữa, các kết quả phân tích không gian từ phần mềm ArcGIS có thể dễ dàngxuất ra các dạng dữ liệu khác phù hợp với các phần mềm biên tập khác như Word,Exel, pdf, v.v Ngoài ra, các thuật toán trích xuất tối ưu và cho kết quả tốt, đáng tin

cậy cũng đã được cài đặt sẵn trên phần mềm Người dùng dễ dàng sử dụng các công

cụ thông qua giao diện đồ họa

27

b) Phương pháp GIS trong xác định biến động địa hìnhCác kỹ thuật địa mạo ở biển không đa dạng và không được áp dụng rộng rãinhư ở môi trường trên cạn Điều này là do một phần các khó khăn liên quan đếnviệc năm bắt, phân loại và xác thực các đặc điểm địa hình bị che khuất dưới nước.

Có nhiều điểm chung giữa các ứng dụng địa mạo trên mặt đất và trên biển Tuy

nhiên, không phải tat cả các giải pháp trên mặt đất đều có thé được áp dụng bởi cácnghiên cứu địa mạo bién vì tính chất động của môi trường biển gây ra các van détrong quá trình xác định các tham số mô tả địa hình [92] Dữ liệu DBM rất hữu ích

trong việc mô tả, giải thích và phân loại địa hình trong môi trường biên, giống như

đánh giá HTDH dựa vào mô hình DEM trên mặt đất [92] Việc trích xuất các tham

số chung như trên chưa tính đến sự lan truyền sai số từ DBM có thé anh hưởng đáng

kế đến kết quả trích xuất đó Theo Laurence, sai số DBM là sai số hệ thống, sai số

do con người, hoặc sai số ngẫu nhiên Các sai số này được lan truyền đến ứng dụngcuối cùng, làm sai sót trong các ứng dụng [72]

Kỹ thuật xác định định khối lượng và khu vực xói mòn, bồi tụ giữa các

khoảng thời gian khác nhau đã có nhiều nghiên cứu, thực nghiệm ở các khu vựclòng sông, cửa sông và ven biển [106, 129] Thực hiện phép trừ các DBM cần sosánh ta thu được các DBM sai khác (DoD), kết quả DBM sai khác nay làm nổi bậtcác khu vực xói lở và bồi tụ Phương pháp này được sử dụng như là một phươngpháp thay thế đo trực tiếp về vận chuyền trầm tích ngoài thực địa và xác định khốilượng thé tích băng các mặt cắt dọc, mặt cắt ngang địa hình Tuy nhiên, các phương

pháp sử dụng dé thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu địa hình đều chứa đựng sai số

như đã nêu ở trên, dẫn đến sự không chắc chắn trong các mô hình địa hình dẫn xuất.Các sai số này có tác động đáng kê đến việc phân tích các quá trình vật lý và động

lực học, đặc biệt là trên các thang đo thời gian ngắn trong đó sự thay đổi hình thái

có thé nhỏ hơn so với lỗi vốn có trong các DBM, dẫn đến xác định sai các động lựcquá trình và định lượng không chính xác thay đổi hình thái và dòng chảy trầm tích

[106] Ngoài ra, phương pháp đánh giá sai số truyền thống là sai số cố định trongtoàn bộ không gian Do đó, sự không chắc chắn theo độ sâu của DBM thông thường

là thiết lập một ngưỡng hoặc mức phát hiện tối thiểu (minDoD) MinDoD là một

hăng số, nếu nhỏ hơn ngưỡng này sẽ không được xem xét, dẫn tới cứng nhac một

28

cách không cần thiết ở những khu vực có thé xảy ra thay đổi cường độ rất nhỏ (ví

dụ bề mặt mịn) và tự do quá mức ở những khu vực thay đổi độ cao lớn (ví dụ như

xói mòn bờ), dẫn tới kết quả tổng số lượng xói mòn và lắng đọng không chính xác

[102, 129] Gần đây, Wheaton và cộng sự cũng trình bày một kỹ thuật để ước tính

độ không đảm bảo DBM theo cách biến đổi theo không gian thông qua việc sử dụng

lý thuyết tập mờ kết hợp với phương pháp phân biệt độ không chắc chắn trên cơ sở

kết hợp không gian của xói mòn và lắng đọng bằng Định lý Bayes [102] Như vậy,các nghiên cứu đều đã xác định các ước tính thể tích xói mòn và bồi tụ, kết quảphương pháp linh động và hợp lý hơn so với phương pháp sử dụng ngưỡng tối thiểuđồng nhất trong không gian [102]

Nhìn chung, đánh giá HTĐH cần ứng dụng được nén tảng công nghệ, tínhtoán đầy đủ các tham số hình thái chung và xác định được các tham số HTĐH cụthé (xói lở, bôi tụ) Từ đó, làm cơ sở dé xác định các yếu tố động lực gây ra sự thayđổi HTĐH đó một cách khách quan và chính xác nhất Phương pháp xác định khốilượng và khu vực xói lở, bồi tụ dựa vào đánh giá sai số thay đổi theo không gianđược sử dụng rộng rãi trên thế giới cho các khu vực lòng sông, cửa sông, ven biển,cần áp dụng phương pháp ở các khu vực ven đảo xa bờ

1.1.3 Tổng quan nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ở Việt Nam

1.1.3.1, Nghiên cứu về địa hình, địa mạo ở vùng biển Việt Nam

Nghiên cứu địa mạo trên vùng bờ biển, cửa sông ven biển và thêm lục địa củavùng biên Việt Nam được nhiều nhà khoa học tiễn hành từ sớm Các hướng nghiên cứu

cơ bản như địa mạo động lực hình thái, địa mạo tai biến thiên nhiên, địa mạo hình thái

— cầu trúc, địa mạo — sa khoáng, địa mạo sinh thái — cảnh quan, địa mạo — môi trường[15] Một số nghiên cứu điền hình như: nhóm tác giả Đặng Văn Bào và Nguyễn Hiệu

về đánh giá tai bién xói lở - bồi tụ vùng hạ lưu sông Thu Bồn trên cơ sở nghiên cứu địamạo và ứng dung viễn thám — GIS [5]; Nghiên cứu địa mạo và tai biến thiên nhiên chophát triển bền vững đới bờ biển Quảng Nam - Đà Nẵng [4]; Nghiên cứu biến động địahình trong mối quan hệ với các hệ sinh thái vùng ven biên tỉnh Quảng Ninh trên cơ sởứng dụng công nghệ viễn thám và GIS [23]; Nghiên cứu đánh giá biến động đường bờ

biển các tỉnh Nam Bộ dưới tác động của biến đổi khí hậu và mực nước biên dâng [18];

v.v Các nghiên cứu trên đều cho thấy: Vùng ven biển là vùng giao hội giữa đất liền và

29